??? 摘? 要: 根據國內對車載GPS定位系統市場的需求,結合北京同構高技術研究中心多年來從事掌上電腦(HPC)和車載定位系統的經驗,提出了一種新的車載GPS定位系統方案.該方案不僅新穎、性價比高,并開發了基于具有自主知識產權的清華嵌入式操作系統(THOS)平臺的系統軟件。?
??? 關鍵詞: GPS全球定位系統? GSM無線通信? 尋呼? LCD液晶顯示? THOS操作系統
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??? 隨著IT產業的快速發展和互聯網的廣泛應用,過去許多由純硬件實現的嵌入式系統與產品已轉向由軟、硬件共同來實現。當前,以具有無線通訊功能的個人數字助理PDA、手持個人電腦HPC、交互式網絡信息家電、車載多媒體系統為代表的新一輪智能型3C(Computer、Communication、Consumer)合一的類PC嵌入式系統與技術[1]進入了一個嶄新的智能化、網絡化的發展階段,類PC嵌入式系統與產品的嵌入式操作系統及其應用軟件也同時得到了空前的發展與繁榮。?
??? 經濟的不斷發展使移動目標的定位、監控、指揮和調度系統(如警用車輛的指揮調度、運鈔車的監控與安全調度、出租車的經營管理和合理調度)成為公安、銀行以及公交運輸系統中一個越來越重要的問題。目前,用于交通管理系統的設備主要是無線電通信設備,由監控調度中心向車輛駕駛員發出調度命令,駕駛員只能根據自己的判斷說出車輛所在的概略位置,而在夜間或在生疏地帶則無法確認自己的方位甚至迷路。因此,在調度管理和安全營運方面受到了一定程度的限制。?
??? GPS(Global Position System)定位技術的出現給車輛、輪船等移動目標的導航定位提供了精確、實時的定位能力。由車載GPS系統所確定的車輛位置信息,通過車載電臺將其發送給調度指揮中心,調度指揮中心便可及時掌握各車輛的具體位置,并可以顯示在電子地圖上,非常直觀、清晰,然后進行安全、合理的調度。通過移動目標監控調度系統,調度指揮中心隨時可以知道入網移動目標的方位,不僅可以進行安全合理的監控調度,而且可以為入網移動目標提供無線通訊、遇險報警、決策指揮等多項服務。?
1 系統構成與原理?
??? 出租車調度系統主要由車載定位系統與調度指揮中心系統兩部分組成。調度指揮中心系統主要由監控調度網絡服務器、彩色大屏幕顯示器、GSM模塊、穩壓電源、系統監控調度管理軟件和向量化電子地圖等六部分組成。本文僅介紹出租車車載定位系統。?
??? 目前國內出租車的經營管理和調度系統除具有監督調度功能外,還提供無線通訊語音服務、遇險報警等。本文所介紹的具有自主知識產權的“GPS出租車調度系統”在功能上與現有方案大不相同,主要表現在兩方面:①車載系統不僅能顯示字符與漢字而且能顯示圖形(例如電子地圖);②調度指揮中心能對出租車進行群呼,實現大量信息的廣播下行,如交通信息、新聞、股票信息、天氣預報等。其主要目的是實現對某個地區出租車的分布情況進行實時統計。例如,當某個客戶向調度指揮中心打電話預約出租車時,總臺以廣播的方式通過尋呼臺向所有的出租車發出呼叫,并要求凡是處于以客戶為圓心的、半徑為某個值(由總臺確定)的區域中的出租車給與應答(當然是愿意承接此任務的司機)。總臺對所有處于此范圍的出租車進行統計分析,確定出一臺離用戶最近的、滿足客戶要求的(例如車型、性別、語言和年齡等)出租車。系統組成框圖如圖1所示。?
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??? 出租車車載系統主要由微控制器、GPS模塊、GSM無線通訊模塊、尋呼接收解碼模塊和LCD顯示模塊組件構成。?
1.1 微控制器?
??? 車載系統中控制器的選擇至關重要,它不僅影響整個系統的性能,而且關系著車載系統的成本。目前國內的車載系統僅要求顯示字符、文字信息,普通的單片機就完全可以勝任,價格適中。然而,若要求顯示圖片、電子地圖等,則對控制器的頻率速度、存儲容量都有較高的要求。為了滿足其要求,車載系統中一般可選擇Intel StrongARM、ST StA2000、Motorola DragonBall等控制器,但價格很高,主要用于高端電子類產品上,例如掌上電腦HPC。針對各種小型數字設備的需求,目前各個半導體芯片廠商都投入了很大的力量研發、生產適用于這些設備的CPU及協處理器芯片。為了充分縮小尺寸,達到低功耗、低成本的要求,廠商甚至把少量存儲器、液晶顯示控制器以及I/O端口等也一并集成到芯片中。以上述處理器芯片為主,添加必要的外圍電路并配以少量外設,就可以非常方便地設計出功能強大的電子類產品。對其外圍模塊進行不同的組合,可以針對不同要求,設計出不同功能、不同價位的嵌入式控制產品。?
1.2 GPS定位系統?
??? GPS全球定位系統是美國國防部于1973年11月授權開始研制的全球性、全天候、連續的衛星無線電導航系統,歷經二十余年,耗資超過一百億美元,可提供實時的三維位置、三維速度和高精度的時間信息。由于GPS定位技術具有精度高、速度快、成本低的顯著優勢,已成為目前世界上應用最廣泛、實用性最強的全球精密授時、測距、導航、定位系統。近幾年來,全球衛星定位系統獲得了迅速發展,GPS定位技術已經滲透到了經濟建設和科學技術的許多領域。?
??? 目前,有很多廠商都能提供GPS OEM板產品,如SiRF、Conexant、Sychip、GARMIN等公司。其中美國GARMIN公司是世界上最著名、深受用戶信賴的專業GPS廠家,在GPS的定位、導航領域一直走在世界最前列,在提供各種類型的GPS成品的同時,還提供一系列最經典的GPS OEM板產品。由于GARMIN OEM板的定位速度快、工作穩定、耐電壓沖擊和高抗干擾性,因而此方案采用了GARMIN GPS25板。?
??? 出租車車載定位系統的GPS模塊接收衛星(共24顆,分布在6個不同的地球軌道上)發出的定位資料,并根據從三顆以上不同衛星發來的資料計算出自身所處地理位置的坐標。坐標資料經GSM無線模塊發射給調度指揮中心。調度指揮中心將車載GSM模塊發回的坐標資料等信息還原。同時與GIS的電子地圖匹配,在電子地圖上顯示坐標的位置,以便指揮中心清楚和直觀地掌握車輛的動態位置信息。?
1.3 GSM無線通信模塊?
??? 車載電臺實現與調度指揮中心的聯絡(雙向通信)。目前的車載電臺絕大部分是調頻(FM)制式的模擬移動通信系統,主要為語音通信設計。要傳送車載臺的定位信息首先要通過音頻調制解調器將數字信號轉換成音頻模擬信號,然后加載到音頻車載臺上發送出去。其缺點是需建電臺、申請頻率點使用權、覆蓋面窄、發射功率小及容量有限等。除此之外,由于語音信道的信噪比較低,利用此信道進行數據通信時,誤碼率會增加,嚴重時會導致通信失敗。因此,在此方案中采用了GSM移動通信中的短消息來完成GPS定位信息數據的傳輸。?
??? 全球移動通信系統GSM (Global System for Mobile Communications)是歐洲主要電信運營者和制造廠家組成的標準化委員會設計的數字移動通信系統,也是我國目前覆蓋面最廣、功能最強、用戶最多的移動通訊系統。GSM系統可提供多種業務,目前已開通并較常用的業務有:話音、短信、數據等。短消息 SMS(Short Message Service)是GSM移動電信系統的補充業務之一,它借助GSM網信令傳遞間隙進行傳送,不會占用話務信道。短消息每次限制在160個字符以內,這對GPS定位信息足夠了。電信運營者一般不會對短消息的傳送增加通信費用,僅適當收取一點開通費或很少的維護費,因此短消息的使用是非常廉價的(以北京電信目前的收費標準,每月僅為15元)。短消息的編碼支持中文、韓文、日文等文字字符集及符號,并且傳送字符內容支持Unicode字符全集,因此可以傳送中文信息。短消息的發送和接收離不開GSM數據通信平臺。GSM數據通信平臺是利用GSM短消息功能傳輸各種檢測、監控數據信號和控制命令的通用通信平臺,可以廣泛應用于遠程監控和數據采集、移動目標的監控以及個人信息終端。具有不需另外鋪設網絡、通訊費用低廉、不受地域限制、任意設置傳輸機制等特點。本方案采用法國WAVECOM公司的GSM 模塊,其數據接口為RS232,可與微控制器的UART接口直接連接。?
??? 綜上所述,在綜合考慮運營費用和實現的難易程度等因素,目前的短信業務最適合定位信息的傳送,而且在使用這種業務的同時還可進行話音聯絡,互不沖突。?
1.4 PAGER尋呼接收模塊?
??? 目前的GSM系統還不能提供廣播式短消息服務,為了實現廣播下行,在系統中增加了尋呼模塊。車載系統有了它也就具有了接收群呼的功能,調度指揮中心可實現廣播下行。?
??? 尋呼機主要由RF接受部分和DECODER解碼部分組成。其功能是將接收到的信息電磁波轉變成無線電射頻調制信號,再經過變換、解調恢復出數字基帶信號,送到后續的CPU進行處理。接收部分:包括天線組件、放大混頻電路和解調電路,實現由射頻信號向中頻信號、直到二進制代碼流的轉換。解碼部分:完成對接收到的二進制信息的譯碼,通過對數碼序列中的前置碼進行識別來判別當前所接受的數碼是否為POCSAG碼,如果是,再解調出包括地址和信息信號的POCSAG無線尋呼碼,并按特定格式傳送給車載系統CPU作存儲和顯示。無線尋呼組碼解碼方案有POCSAG和FLEX兩種數據協議格式。FLEX是多頻漫游高速尋呼協議,具有編碼速率高、信道用戶容量大、抗干擾性能好、與現有尋呼技術兼容能力強、支持綜合數據傳輸、能很好地支持雙向尋呼、適合全國乃至世界范圍尋呼聯網等優點。目前,我國無線尋呼組碼解碼方案普遍采用POCSAG協議,該協議是國際無線電咨詢委員會(CCIR)確認的國際尋呼通信的一號標準編碼 (簡稱國際1號碼 )。所以構建尋呼功能只需外加一個RF接收模塊和解碼芯片即可,如圖2所示。?
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??? 作為車載系統的一部分,尋呼機接收功能主要實現大量的信息接收,包括公司的廣播通知、交通信息、新聞、股票信息、天氣預報等的接收,通過車載系統的相應軟件控制在其LCD屏幕上顯示,比傳統的尋呼機速度快,頁面顯示內容清晰,可以顯示文字、圖表、曲線及照片等。該功能模塊的增加為車載系統擴大了信息來源,增強了車載系統的功能。通過車載系統,使用者可以更加方便地接收、讀取、存儲和管理尋呼機的信息。?
1.5 LCD液晶顯示模塊?
??? 實現電子地圖的顯示需要點陣圖形液晶顯示器。液晶顯示器(LCD)有黑白、彩色兩種,黑白屏以超扭曲向列型(STN)居多,對比度比TN型的更好。彩色屏以薄膜晶體管型(TFT)居多,分有源(Active)及無源(Passive)型兩種。TFT屏比STN屏響應速度快,可實現真彩色,但價格很高,約占整個產品成本的一半,主要用于高端電子類產品。通常高端微控制器中都內嵌有一個8位或4位的、灰度為4～16級的液晶控制器,有支持STN顯示屏的,也有支持TFT顯示屏的,分辨率最高可達1024×512個像素,并內嵌有幾十KB的幀緩沖器。?
??? 考慮到價位以及功能的要求,一般選擇320×240 STN黑白液晶屏來顯示電子地圖、出租車的經緯度及速度、通過PAGER接收調度指揮中心廣播下行的命令和控制中心通過GSM發來的短信消息等。由于車載系統中不便于使用觸摸屏,因此將液晶屏上的觸摸屏去掉,改換成有利于司機操作的鍵盤。?
2 THOS清華嵌入式操作系統?
??? 嵌入式操作系統作為軟件系統的核心,在手持計算設備、控制系統、智能儀器儀表等各個領域起著十分重要的作用。開發具有自主知識產權的嵌入式操作系統,不僅關系到我國未來科技的發展,而且可以擺脫對國外操作系統的過分依賴,為我國IT領域的發展提供一個良好的系統平臺。?
??? 考慮到未來工業發展對嵌入式操作系統的普遍需求,因此THOS操作系統定位為嵌入式、可配置、實時多任務的操作系統,并將各種驅動程序等設計成均可自由裝卸的功能化模塊,主要用于控制系統、信息家電、各種移動設備等嵌入式系統產品。清華嵌入式操作系統的特點如表1所示。?
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??? 清華嵌入式操作系統無論和普通的操作系統(如服務器上用的操作系統和臺式機上的操作系統等)相比還是與其它嵌入式操作系統(如WindowsCE、pSoS、VxWorks、Palm OS)相比都有顯著的優點。?
??? 本文所介紹的GPS車載定位嵌入式系統不僅在硬件設計上具有外圍器件少、可裝卸、開發設計周期短等優點,而且在系統軟件及驅動程序的開發上是基于具有自主知識產權的THOS平臺,達到了軟硬件協同設計的目的。由于該操作系統主要定位在與硬件緊密相連的控制系統和類PC系統,因而在保持和Linux系統兼容的基礎上,具有易于向其它硬件平臺移植的特點,以便根據不同的需要將其組合為滿足不同要求的系統,為嵌入式系統的軟硬件協同設計奠定了基礎。?
參考文獻?
1 梁金千.清華嵌入式操作系統的設計與實現.清華大學碩士研究生論文(指導教師:張躍),2001(4)?
2 劉 森.HPC相關新技術的發展及其應用.電子技術應用,2000;26(12)?
3 劉 森.掌上電腦研制中的關鍵技術.電子產品世界,2001;(4)?
4 何榮森.Bluetooth(藍牙)協議體系結構和硬件設計.電子技術,2001;(10)?
5 駱健霞編譯 .GSM數字移動通信系統.北京:電子工業版社, 1999?
6 D.Demus. Handbook of Liquid Crystals. New York,1998